图1 视频中事故发生前人车相对位置图
纸质出版日期:2022-05-25,
网络出版日期:2021-07-14,
收稿日期:2020-04-12,
录用日期:2020-05-22
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采用PC-Crash再现145例人车碰撞事故视频案例,通过调整车辆制动以延长案例中的人车相互作用时间,采集行人抛距、人体各部位损伤及人车相互作用时间等参数并分析所得数据。结果显示:人车相互作用时间与人地碰撞损伤显著负相关;延长人车相互作用时间能显著降低地面所致头部、臀部损伤及车速 ≥ 40 km/h的胸部损伤,且不会明显增加地面所致四肢及车辆所致头、胸部和臀部的损伤。研究结果表明可从人车相互作用时间角度出发探索人地碰撞损伤防护的新方法。
145 accidents with videos were reconstructed by PC-Crash firstly, and then the vehicle braking is adjusted to prolong the pedestrian-vehicle interaction time in each case, finally parameters such as pedestrian throw distance, pedestrian injury and the interaction time were collected and analyzed by graphing and statistical method. Results shown that there is a significant negative correlation between the pedestrian-vehicle interaction time and the ground related injury; the ground related injury of the head, the pelvis and the torso (when the impact speed ≥40 km/h) can be reduced significantly by prolonging the interaction time; the ground related injury of four limbs and vehicle related injury of head, torso and pelvis will not change obviously when the interaction time were prolonged. This indicates that new approaches for protecting the ground related injury can be explored from the perspective of the pedestrian-vehicle interaction time.
近年来我国行人乘车人事故致死率一直高于其他类型事故致死率,这表明作为弱势道路交通使用者的行人在事故中需要重点保护。行人在交通事故中的伤害主要来源于第一次与车辆的碰撞及随后与地面的第二次碰撞,OTTE[
事实上,人们很早就利用仿真技术研究地面相关损伤,发现人地碰撞损伤不易预测,受到碰撞速度、车头形状、行人步态、行人尺寸(身高及体重)等因素的影响[
为此,本研究先对145例真实人车碰撞事故视频进行再现,再通过控制车辆制动以延长人车相互作用时间,由此产生两组仿真,前者命名为真实案例组,后者则为时间延长案例组。然后,采集相关数据分析人车相互作用时间与人地碰撞损伤的关系,进而探索时间延长案例组与真实案例组中地面所致人体损伤的差异,以确定从人车相互作用时间角度研究人地碰撞损伤防护的可能性。
本研究中所选用的视频主要来源于课题组前期积累的鉴定案例及网络视频数据。然后对视频进行筛选,只选择绕射抛出、事故车为小轿车或多功能运动车且只一车撞一人的碰撞,最终得到145例人车碰撞事故视频。然后将事故视频用PC-Crash软件进行再现,并通过调整车辆制动以延长人车相互作用时间,以此获得两组数据,前者为“真实案例组”,后者为“时间延长案例组”。
PC-Crash是一款国内外应用非常广泛的事故再现软件,其可靠性及精度在很多事故研究领域都已获得验证[
1.2.1 事故介绍
由某车载行车记录仪拍摄的一段视频显示,在中国某城市道路的天桥下,一位年轻女性奔跑着穿过斑马线时,与道路左侧一辆黑色SUV发生碰撞。肇事车辆在碰撞发生时立即采取了制动措施,行人受到撞击后在空中翻滚一圈随即落地。
图1 视频中事故发生前人车相对位置图
Fig.1 Relative position map of vehicles and pedestrian before the accident in the video
1.2.2 事故现场重建
通过观看视频发现,仅肇事车辆、行人与路面参与到事故中,不涉及道路旁边的花坛及其他车辆,因此利用PC-Crash软件内的道路生成模块生成一条3车道的道路,每车道宽度为3.5 m .
根据视频中车辆信息确定其品牌进而结合网络确定车辆型号后再获得车辆侧视图、轴距、轮距、车重及长宽高等系列参数,将侧视图导入PC-Crash并利用软件自带的测量工具测量对人车碰撞事故再现影响最大的车头各参数[
图2 车辆外形轮廓参数
Fig.2 Vehicle profile parameters
行人模型通过PC-Crash内自带假人模型获得。将模型输入软件界面后,需对其身高、体重、姿态等参数进行修改。根据视频及中国人体实际参数将行人身高及体重设置为1.5 m、50 kg[
图3 碰撞时刻的行人姿态
Fig.3 Pedestrian gait at the time of collision
1.2.3 仿真及验证
仿真前对车辆及行人的速度进行估算[
S=LN . | (1) |
通过对视频逐帧播放,记录车辆驶过距离S时所需的帧数,从而算出行驶时间
T=n/ne , | (2) |
式中T为车辆驶过距离S时所需的时间(s);n为车辆驶过距离S时需要的帧数;ne为视频里1 s需要的帧数(视频格式不同其帧率也不同)。则
v=3.6S/T , | (3) |
式中v为碰撞速度(km/h)。本案例中,碰撞发生时车辆的预估速度计算结果为48.6 km/h,行人的预估速度计算结果为6.54 km/h。
当各种参数初步确定后,便开始进行仿真分析。不断对所有参数(车辆制动、车辆速度、行人速度、姿态、身高体重以及碰撞瞬间人车相对位置)进行微调,以使人车碰撞过程与视频相吻合,并确保车辆与行人最终停止位置尽可能与视频中一致。通过多次迭代优化后,发现车辆车速取49 km/h,行人行走速度取6.5 km/h,车辆制动系统协调时间取0.2 s时,所得仿真信息与视频最吻合。事故再现的全过程如
图4 事故仿真全过程
Fig.4 Whole process of accident simulation
图5 0 s时刻人车相对位置
Fig.5 The relative position of pedestrian and vehicles at 0 s
图6 0.44 s时刻人车相对位置
Fig.6 The relative position of pedestrian and vehicles at 0.44 s
图7 1.02 s时刻人车相对位置
Fig.7 The relative position of pedestrian and vehicles at 1.02 s
图8 2 s时刻人车相对位置
Fig.8 The relative position of pedestrian and vehicles at 2 s
为了验证人体损伤等信息,导出人体头部减速曲线后计算获得车辆所致15 ms头部损伤准则HIC15为1 338,地面所致HIC15为133.9,根据行人头部损伤耐受极限(< 700),可推断在该例事故中行人死亡概率极高,这与新闻报道一致,行人因颅脑受伤而死亡。
从以上分析可知,仿真中行人的运动学响应及损伤均最大限度地与视频中信息吻合,可认为仿真能很好地反映实际事故发生的情况,进而使得从仿真中读取的相关数据与实际事故中相关数据高度接近,从而保证了数据的可靠性。对另外144个案例,均采用完全一致的标准进行再现,以保证了所有所得数据的可靠性。
1) 头部损伤指标
1971年美国运输部提出的头部损伤标准HIC定义为
HIC=[(t1-t2)(1t1-t2∫t2t1a(t)dt)2.5]max , | (4) |
式中a(t)表示头部重心合成加速度;t2-t1表示HIC达到最大值的时间间隔,取为15 ms。HIC15的安全界限值为700[
2) 胸部损伤指标
采用胸部3 ms合成加速度作为胸部损伤指标,其安全界限值为60 g[
3) 臀部损伤指标
采用碰撞力作为臀部损伤指标,文献[
4) 下肢损伤指标
采用碰撞力作为下肢损伤指标,大腿股骨耐受极限为6.3 kN[
采用SPSS软件中的Mann-Whitney U检验方法对两组案例的人体损伤、人车相互作用时间等参数进行显著性检验,检验水平α=0.05,根据检验结果P值判断各参数在两组案例中是否具有显著统计学差异,P<0.05表示有显著统计学差异、P<0.01表示有极其显著的统计学差异。采用SPSS软件中Spearman相关系数分析法对人车相互作用时间与碰撞速度、人体各部位损伤之间的相关性进行相关性检验。
本研究基于人车相互作用时间探索人地碰撞损伤降低的问题,提出一种较为简单的时间延长方法,即:当车辆碰撞到行人瞬间或之前,通过完全制动车辆以确保尽量降低人体头部与车体的碰撞速度;当行人头部与车辆发生碰撞之后(可认为人车第一次碰撞已结束),若行人被抛到空中,则松开车辆制动并控制其转向使车辆追上并接住行人(一般认为人体被抛出的速度与当时车速接近[
对145组案例的车速以及行人速度进行统计,将车速分为4个区间段,行人速度分为3个区间段,分别统计每个区间段内的案例数量。
图9 车辆及行人速度分布图
Fig.9 Vehicle and pedestrian speed distribution
vmin=2.42√SP, | (5) |
vmax=3.98√SP . | (6) |
图10 车速-行人抛距图
Fig.10 Vehicle speed vs pedestrian throw distance
文献[
vFugger=8.3604S0.6046P, | (7) |
vToor=9.84S0.57P, | (8) |
式中SP为行人抛距;vmin、vmax分别为模型所对应的最小车速和最大车速;vFugger为Fugger 模型所对应的车速;vToor为 Toor 模型所对应的车速。
本小节对人车相互作用时间、碰撞速度、行人各部位损伤(头部HIC15值、胸部3 ms合成加速度值、臀部碰撞力、大腿碰撞力以及小腿碰撞力)进行相关性分析。结果如
由
分析人车相互作用时间与其他参数的相关性,发现该参数与人地碰撞损伤(特别是头、胸部损伤)显著负相关,这表明该参数可以选作新的研究人地碰撞损伤防护的变量,且通过有效延长人车相互作用时间应能降低人地碰撞损伤。调整145个真实案例中的车辆制动,通过有效增加人车相互作用时间的同时不发生碾压事故,探索是否能通过延长人车相互作用时间降低人地碰撞损伤。
图11 人车相互作用时间对比箱形图
Fig.11 Comparison of pedestrian-vehicle interaction time
图12 人地碰撞中头部及臀部损伤对比箱形图
Fig.12 Comparison of head and pelvis injuries in pedestrian-ground collision
以40 km/h作为分界点,
图13 人地碰撞中胸部损伤对比箱形图
Fig.13 Comparison of torso injury in pedestrian-ground collision
图14 人地碰撞中下肢损伤对比箱形图
Fig.14 Comparison of lower limb injuries in pedestrian-ground collision
图15 人车碰撞中头部、胸部及臀部损伤对比箱形图
Fig.15 Comparison of head, torso and pelvis injuries in pedestrian-vehicle collision
因此,延长人车相互作用时间后,因地面碰撞所致人体头部、臀部损伤显著下降,在高速碰撞中(≥40 km/h)人体胸部损伤亦显著下降,且其他部位的损伤未有显著性差异,同时不会增加车辆对行人的伤害。总体而言,可以认为通过延长人车相互作用时间确实能降低人地碰撞损伤。
通过再现145例真实人车碰撞事故并延长每一案例中人车相互作用时间,以此获得真实案例组和时间延长案例组两组数据,进而用作分析。主要结论如下:
(1)本研究中绝大多数案例的行人抛距与车速关系与已有研究成果一致,但有9例明显不一致。进一步分析这9例事故,发现:在人车碰撞事故中,若行人在碰撞之后没有被完全抛出(如掉落车两边),则不宜利用已有模型依据行人抛距再现事故车辆车速。
(2)人车相互作用时间与行人头部损伤、胸部损伤之间呈现出高度的负相关性。表明人车相互作用时间越长,则人地碰撞损伤特别是主要部位(头部、胸部)的损伤将越低。
(3)延长人车相互作用时间能够显著降低人地碰撞损伤中的头部、臀部损伤及车速≥40 km/h时的胸部损伤,但不会增加地面所致下肢损伤及车辆所致头部、胸部及臀部损伤。这些结果表明,后续研究中可从人车相互作用时间角度探索人地碰撞损伤防护的新方法。
(4)通过一定规则可延长人车相互作用时间,但暂无在智能汽车中实现的解决方案。从时间延长角度降低地面相关伤害具有可行性,文献[
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